艦載飛機攔阻網著艦沖擊特性仿真研究

2021-11-17 07:08:56劉成玉張建剛

計算機仿真 2021年5期

金鑫，劉宇，劉成玉，張建剛

(中國航空工業集團公司第一飛機設計研究院，陜西西安 710089)

1 引言

飛機攔阻網是設置于飛機跑道保險道內，用以對沖出預定起降地段的飛機進行應急攔阻的網型安全設備。航母艦載機對降落場地長度和性能的要求，與陸地飛機存在著很大的差異。航母上有限的甲板真正能用于艦載機降落的甲板長度實際上僅有100米左右，那么必須借助特殊的艦載裝置順利降落并迅速停穩。當艦載機鉤鎖不成功，又無法復飛時，就必須緊急利用攔阻網安全降落，以防止撞壞艦甲板上的飛機及設施或沖到海里。

飛機攔阻網通用規范[1]要求：飛機攔阻網應能安全攔阻以最大起飛重量和起飛速度中斷起飛的飛機；承載結構的設計應合理，在保證安全的條件下，應盡量降低對飛機造成的動載，在攔阻飛機過程中，飛機所承受的攔阻載荷應柔和；飛機撞網后，網在飛機上的分布應均勻，飛機不允許有大的損傷，更不能造成等級事故。因此，為避免攔阻網著艦時帶來重大結構損傷，飛機設計階段需要評估應急攔阻設備可能對機體帶來的沖擊破壞。

近年來，艦載機彈射攔阻動力學得到了廣泛的研究，文獻[2]提出了艦載機-攔阻器聯合仿真分析模型的建模方法，建立了艦載機-攔阻器剛柔耦合動力學系統，描述艦載機著艦過程中與攔阻器之間的交互作用特征。該模型細節程度高，可對飛機著艦過程實時仿真，但無法解決沖擊碰撞及非線性大變形問題。文獻[3]給出了網體設計、渦輪阻尼器設計以及攔阻過程計算方法，并對某型無人機的攔阻性能進行了仿真。該論文通過估算方法對攔阻網回收系統進行設計，工程應用性強，但其將飛機簡化為質點，忽略了飛機外形及網帶彈性變形效應。文獻[4]通過對系統各構件的受力分析，建立了飛機在攔阻過程中的動力學模型，從理論上得出了在攔阻網工作過程中飛機速度隨位移衰減的關系式，同時估算了飛機滑行距離和網繩拉力，但由于該算法模型細節度不高，精算精度有限。文獻[5]采用非線性動力學有限元方法模擬了飛機攔停系統的工作過程，完成了捕獲裝置攔停性能驗證以及攔停系統結構強度、裕度評估。該方法研究了攔阻網帶的大變形及非線性效應，但由于飛機模型為剛性體，無法考慮機體彈性效應影響。

針對以上研究問題，本文研究了艦載飛機攔阻網著艦的動力學特性，建立了一套考慮飛機彈性效應和攔阻網帶彈性大變形的著艦動力學數值仿真模型，結合艦載機攔阻網著艦設計需求，對攔停距離、最大攔阻過載、結構破損等關鍵參數進行了精細化仿真分析。

2 攔阻網建模仿真研究

攔阻網由尼龍帶編成，橫向設置在航空母艦斜角甲板著艦區第三道索上，通過吊網索，由設在道面兩側的立網架撐起。網體中心與跑道中心線對正，垂直于跑道中心線，在攔阻網兩端各安裝有一套攔阻控制系統，兩套系統結構完全相同，中間通過網體和網索連接在一起。當飛機撞上網后，網體網住飛機并與飛機一起向前滑行，帶出剎車網帶，隨即帶動制動裝置，從而使飛機的動能逐漸消減，速度減低，直至停止[6]。

2.1 網帶單元數學模型

攔阻網帶具有“易彎曲”、“可拉不可壓”的特殊性質，其動力學模型就是采用離散化的方法將網帶離散為一定數量的繩段，每個繩段可以看作受載的系統，并建立運動學方程，求解運動學特性。本研究采用專用的一維Bar單元模擬攔阻網帶，這種單元僅可以承受拉力，不能承受壓力、彎矩和扭矩。網帶Bar單元如圖1所示：

圖1 網帶Bar單元

網帶Bar單元包含2個節點N1、N2，其長度為L，面積為A；網帶單元上任一點N到N1的距離為l，采用歸一化處理，可令s=l/L。單元在全局坐標系中的位置qe可以表達為

(1)

單元上任一點N的位移可以表達為

r(s，t)=N(s)qe

(2)

其中，N(s)為網帶單元的形函數

N(s)=[N1I2×2，N2I2×2]

(3)

N1=-(s-1)

(4)

N2=s

(5)

網帶單元的變形可以表示為

(6)

其中

(7)

根據網帶單元的材料本構關系，可以得到網帶單元的應力

σ=Eε

(8)

網帶的動力學方程滿足Hamilton原理，Hamilton原理的基本形式如下：

(9)

其中：T為系統動能，U為系統勢能，δW為外力虛功。

通過上述計算，建立在縱向激勵響應下的動力學方程，經過簡化分析，得出未知量的表達式。為了分析網帶各運動方向的動力學特性，引入無量綱參數對方程組進行無量綱化處理。根據Hamilton原理，動能的變分為

(10)

網帶的應變能為

(11)

設網帶所受外力為f，外力的虛功為

(12)

于是可得，網帶的動力學方程為

(13)

其中，M為質量陣，Q為外力矩陣，φq為雅克比矩陣，λ為拉格朗日乘子，γ為約束項。

2.2 攔阻網仿真模型

為建立攔阻網細節模型，以網帶單元數學模型為基礎，建立了考慮網帶柔性變形、結構阻尼的纜繩非線性動力學仿真模型。

攔阻網中心兩條為對中標識帶，用于引導艦載飛機阻攔時對中著艦，減少攔阻偏心。艦載飛機螺旋槳可能會將標識帶剪斷，螺旋槳預留孔兩端各有10條攔阻帶，網帶是由材料為錦綸的厚型錦絲帶通過縫制成部件，并通過金屬件連接組裝而成。攔阻網仿真模型見圖2所示。

圖2 攔阻網模型

3 攔阻器建模仿真研究

本文以包括攔阻索、輪系、液壓系統的完整的MK7-3攔阻系統為研究對象，采用剛柔耦合分析方法建立該型攔阻系統的動力學仿真模型。攔阻器液壓緩沖系統采用非線性彈簧阻尼模型模擬，通過非線性彈簧單元模擬高壓腔、蓄能器的彈性特征，采用非線性阻尼單元表征液壓系統的能量耗散特性。除攔阻索采用柔性體模型外，轉向滑輪組、定滑輪組、動滑輪組、主液壓缸缸體、柱塞均采用剛性體模型建模。通過引入罰函數法的接觸模型描述攔阻索與滑輪、主液壓缸缸體與柱塞等部件之間的相互作用。

采用剛性體模型表征滑輪組和液壓系統各個組件，其中考慮了攔阻過程中動滑輪組及液壓系統柱塞的運動所帶來的全部剛體平動自由度和轉動自由度。剛體上任意一點的速度和加速度等都可以通過剛體重心結點的速度和加速度線性表達。假設經離散化處理后，部件質心指向剛體上任意結點i的位置矢量為ri，部件質量為MCG，質心坐標為XCG，慣矩矩陣為ICG。圖3為剛體運動示意圖。

圖3 剛體運動示意圖

剛體運動的求解是在全局坐標系下進行的。在顯式迭代過程中，首先計算剛體的重量、重心和慣性矩。

(14)

(15)

(16)

式中：Ai為結點i從全局坐標系到剛體局部坐標系的轉換矩陣。

(17)

(18)

通過剛體運動學方程，可以求解剛體重心的結點加速度和角加速度

(19)

(20)

結點i的速度vi可以表達為

(21)

結點i的加速度ai可以表達為

(22)

結點i的角加速度ai可以表達為

αi=AiACGαCG

(23)

依據上剛體動力學理論，本文建立的攔阻器剛性體模型如圖4所示。這些剛性部件包括主液壓缸、動滑輪、定滑輪、活塞等部件。

圖4 MK7-3攔阻器模型剛性部件

當飛機機體與攔阻網發生接觸，產生作用力和反作用力分別加載在網帶和機體上。通過攔阻網兩端網帶的牽拉，沖擊力會依次經過甲板可升降滑輪組、轉向滑輪和滑輪緩沖裝置，傳遞到攔阻器動滑輪組和靜滑輪組，通過攔阻器吸收沖擊能量。在這個過程中，攔阻索與滑輪之間保持接觸，并通過摩擦力牽引滑輪運動。圖5為通過建立攔阻索Bar單元將剛性部件約束后的Mk7-3攔阻器模型。

圖5 攔阻器模型

4 艦載飛機建模仿真研究

本文研究目的是評估飛機攔停距離、著艦過載以及結構破損，因此，研究對艦載飛機進行簡化建模，機體結構為剛體動力學模型，包含機身、機翼和起落架等部件，艦載飛機全機動力學模型如圖6所示。

圖6 艦載飛機模型

為評估觸網過程中飛機結構破損，建立剛柔耦合的機翼模型，前緣隔板采用柔性體，盒段采用剛性體，通過過渡節點將兩者連接。然后建立機翼前緣蒙皮，利用鉚釘單元將其與前緣隔板連接，如圖7所示。

圖7 機翼前緣有限元模型

機翼前緣柔性體模型中，選取某材料模型，同時引入非線性應力損傷材料模型，當沖擊應力達到800Mpa時，結構由于材料形變過大而導致破損失效。

5 艦載飛機攔阻網著艦仿真分析

飛機攔阻網著艦屬于非線性瞬態動力學問題。在著艦過程中，由于材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性引起機體結構表現出非線性特征，接觸非線性問題主要表現在以下兩方面：

1)接觸界面非線性特征。發生接觸的區域大小、接觸的相對位置以及接觸的狀態難以預先判定[7]，而且接觸區域在接觸過程隨著時間不斷變化。

2)接觸條件具有非線性特征。包括：相互接觸的物體之間不能出現穿透；接觸壓力是接觸面互相作用的唯一法向分量；沿接觸界面切向分量，諸如滑移摩擦等接觸條件。這些接觸條件都是具有高度非線性的單邊不等式約束。

將艦載機模型、攔阻網和MK7-3攔阻器剛柔耦合動力學分析模型組裝后得到完整的艦載機攔阻網著艦動力學分析模型，如圖8所示。

圖8 艦載飛機攔阻網著艦模型

研究中選用自編程序聯合沖擊動力學軟件PAM-CRASH作為剛柔耦合動力學仿真分析平臺，具體分析過程分為3步：

1)利用沖擊動力學軟件對艦載飛機攔阻網著艦過程進行模擬；

2)對比實驗數據及計算結果，驗證計算方法的可行性與計算精度。

3)對驗證后的計算模型進行攔停關鍵參數驗證并對結構響度進行評估。

6 仿真結果與分析

研究中，艦載飛機著艦重量為22t，觸網速度為270km/h。

圖9給出來艦載飛機攔阻網著艦過程中，攔阻系統提供的最大瞬間攔阻力云圖，最大攔阻載荷達到900KN。表1給出了本文建立的攔阻器剛柔耦合動力學模型的攔停距離、峰值載荷等計算結果與美軍標MIL-STD-2066實驗結果的對比。從表1給出的計算結果與MIL-STD-2066實驗結果對比發現，本文建立的攔阻緩沖系統各項關鍵參數與試驗結果誤差在10%以內。